（检测技术与自动化装置专业论文）基于互联网的智能仪表远程监控技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期望竺型! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交 论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 中，。 导师签名：堑日期：兰竺兰：! 竺 上海大学硕士学位论文 摘要 本文研究了基于互联网的智能仪表远程监控技术。 随着信息时代的到来，人们对智能仪表的远程监控功能的需求越来越高。同 时，计算机技术、网络技术及其他一些相关技术的发展，促进了智能仪表远程监 控技术的发展与应用。特别是在互联网时代，智能仪表自然地与互联网走到了一 起。正是在这样一种时代背景下，我们进行了基于互联网的智能仪表远程监控技 术研究。 首先，本文分析了已有的仪表远程监控方案的实现及其各方案的利弊，在此 基础上，我们提出了适合智能仪表远程监控系统的实现方案：利用以太网接入互 联网实现智能仪表的远程监控，主要分为以下三个部分： 1 ) 设计以太网接口服务器的硬件系统，实现了智能仪表通过该接口服务器与 互联网上远程监控计算机的通讯。 2 ) 详细叙述了接口服务器软件设计及t c p i p 协议的各层实现，研究了与智 能仪表接口服务器相关的地址解析协议( a r p ) ，控制报文协议0 c s o ) ，网络传 输协议( i p t c p u d p ) 和应用层协议，提出了种智能仪表以太网接口服务器 的软件设计框架，总结了智能仪表实现互联网接口软件设计要点。 3 ) 在上述两个研究成果的基础上，实现了智能仪表的网络化远程监控系统， 解决了远程监控计算机对各现场流量仪表管理的问题。 最后，作为远程监控技术研究的技术依托，作者给出了将该技术应用于流量 仪表的给排水远程监控系统的实例。 关键字：智能仪表远程监控以太网接口服务器 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i s p a p e r f o c u s e s0 nt h er e s e a r c ho nt h er e m o t em o n i t o r i n gf o r i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s i t sa l lk n o w nt h a tw i t ht h ec o m i n go ft h ei n f o r m a t i o na g e ，t h e r ea r e m o r en e e d sf o rt h ei n t e l l i g e n ti ns t r u m e n t s r e m o t em o n i t o r i n g i nt h e m e a nw h i l e ，t h ed e v e l o p m e n to fr e m o t em o n i t o r i n gi sb e i n ga c c e l e r a t e d b yt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r k s ot h er e m o t em o n i t o r i n g f o rt h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sb a s e do nt h ei n t e r n e th a sb e e nr e s e a r c h e d i nt h i sp a p e r ， a tf i r s t ，a l lk i n dso fr e m o t em o n i t o r i n g sw h i c hh a v eb e e nu s e di nt h e r e a l1 i r ea r ed is c u s s e dt h e nan e wk i n do fi n s t r u m e n t s i n t e r n e t a c c e s s i n gt e c h n o l o g yb a s e d o ne t h e r n e tis p r e s e n t e d a n dm a i nt h r e e p a r t sf o rt h er e a l i z a t i o no f t h et e c h n o l o g ya r ei n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 ) d e s i g n i n gt h e h a r d w a r es y s t e mo ft h ee t h e r n e ti n t e r f a c es e r v e r w h i c hr e a l i z e st h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s i n t e r n e td i r e c ta c c e s s i n g 2 ) d e p i c t i n gi nd e t a i lt h ee t h e r n e ti n t e r f a c es e r v e r ss o f t w a r ed e s i g n a n da l l l a y e r s r e a l i z a t i o no ft c p i pp r o t o c o l s i n c l u d i n ga r p ，i c m p ， t c p ，u d pa n d s oo na l s ot h ef r a m ea n dt h e k e y o ft h ee t h e r n e t i n t e r f a c es e r v e r ss o f t w a r ed e s i g nh a v eb e e np r e s e n t e d 3 ) r e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m w h i c hi n c l u d e st h es o f t w a r er e a l i z a t i o no ft h em o n i t o r i n gc o m p u t e ra n d s oo n f i n a l l y ，t h er e m o t em o n i t o r i n g f o ri n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tsh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e di n t ot h ef l o wm e t e r s r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mt o g i v ea ne x a m p l e f o rt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g y k e y w o r d s ： i n t e l l i g e n t i ns tr u m e n t ，r e m o t e m o n i t o r i n g ，e t h e r n e t i n t e r f a c es e r v e r 2 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 当今社会，科学技术正以前所未有的强劲动力推动社会的发展。随着这一过 程的发展，工业自动化程度不断提高，而自动化程度的每一次革新都离不开智能 仪表的一次次质的飞跃。智能仪表是一项学科交叉和知识密集型的应用技术，该 技术要求人们熟悉被测量的特征，各种传感器，正确处理信号等各个环节。智能 仪表也正是在以上的各方面不断改进与刨新，同时，信息时代又赋予智能仪表特 有的时代特征：信息化及网络化。 1 1 工业自动化领域的信息化和网络化“。“7 1 1 1 1 信息化时代仪表发展的新特征 目前，世界已从工业化、机械化时代迈入信息化时代。随着i n t e m e t i n t r a n e t 技术的普及应用，世界正迈向全面信息化时代。 信息化是指刹用计算机技术和信息技术来获得、使用、管理各种信息。信息 化是在计算机技术和网络技术大行其道，对人类社会的方方面面产生深刻影响的 背景下产生的。 作为信息化的源头一一各类智能仪表也在随着信息化社会的进程发生者深 刻的变化。我们正在经历信息发展的第四个阶段，它们是主机阶段、小型机阶段、 p c 阶段和我们所处的i n t e r n e t 阶段。现在正开始第五个阶段，它的特征是： 智能下移到设备、仪表，大量智能设备及仪表连到i n t e r n e t 上，通过网络相互通 信，自动操作，而无需人为的干预，网上节点呈百倍、千倍地增长。关于这一阶 段的名称尚无公认的说法，m i c r o s o f t 称其为“因特网无所不在”( i n t e r n e t e v e r y w h e r e ) ，根据这个阶段的特征不妨称其为“i n t e r n e tf o rd e v i c e ”。 目前，i n t e r n e t 正以前所未有的速度增长，在我国，近年来i n t e r n e t 上网 人数每年增长近4 倍。但与i n t e r n e tf o rd e v i c e 时代相比，现在的i n t e r n e t 仍只是冰山一角。可以想象随着仪表甚至家电等连到i n t e r n e t 上，网上设备 将是现在的数百倍、数千倍。即将开始的第五阶段得益于三个重要技术的发展： 上海大学硕士学位论文 第是协议问题的解决，t c p i p 己成为全球共用的通讯协议：第二是拓扑结构 方式的解决，l o l o o 兆及千兆以太网己成为世界范围m i s 应用的标准，且逐步 应用于工业自动化：第三是半导体技术的飞速发展使其费用大幅降低和高度集成 化，也同时降低了网络硬件的费用。 在未来的五到十年间，大量的智能仪表将连入网络，通过网络实现对智能仪 表的远程监控，将极大地改变人们的生活，它将完善从主计算机到底层传感设 备的实时监测及控制循环，降低商业成本，提高生产率。 1 1 2 信息化与网络化推动远程监控仪表及系统 进入信息时代，就要以信息技术和网络思想指导仪表设计应用，以构成仪表 的传感、数据采集、处理、传输和控制等功能，通过计算机专用或公用平台，配 上功能强大的软件，在局域网或互联网上实现通讯功能，从而使仪表功能更强、 效率更高、适用性更好。 如今智自e 仪表的时代已不再是当初的单仪表时代，信息化与网络化要求信息 方便快捷地传输及共享，仪表与仪表之间的大量地互联，仪表网络化的时代已经 到来。由此，仪表信息的传输，管理成为必不可少的一项功能。如有时，各仪表 的分布范围广，仪表信息的远程传输，上位机对仪表的远程监控便成为了一项急 需解决的技术，而信息化与网络化技术的进步，为仪表远程监控提供了通讯、计 算机、监控等方面的必要技术，推动了仪表远程监控技术的发展。 仪表的远程监控，是仪表智能化网络化技术发展的一个实用方面，反过来也 是社会信息化与网络化的一个体现，其意义在于： 远程监控技术可以充分利用异地的智力资源。处于异地的专家学者可以通过 网络获得远程的监控数据，并进行分析和处理，找出问题所在，提出改进意见。 远程监控技术可以建立网络范围内的监控数据的获取，建立网上的知识资源 库。 远程监控技术可以对重点设备进行全方位的监控，确保该设备的安全运行。 远程监控技术可以获取现场监控设备数据，对远程故障诊断技术提供了物质 基础 4 上海大学硕士学位论文 1 1 3 工业以太网推动仪表网络化 最近几年，随着工业以太网的快速发展和关键技术的突破，使得工业自动化 领域控制级以上的通信网络正在统一到工业以太网，并正在向下逐渐延伸。在工 业控制、远程监控领域，工业以太网技术发展领域不可能脱离原来的d c s ，p l c 和f c s 控制与管理系统基础，但以太网技术因其独一无二的优势( 协议的开放性， 统一性) ，己日益得到工业界的肯定与重视，并逐步运用于他们各自的产品之中。 如：国外各工业自动化系统公司为了保护己有的投资利益和扩大本公司仪表产品 的应用范围，纷纷提出了基于工业以太网技术的仪表解决方案，从而出现了现场 总线之争让路给工业以太网的局面。近来随着网络通讯技术的进一步发展，用户 的需求也日益迫切，国际标准化组织正在积极工作，以建立一个工业以太网的应 用协议。工业自动化开放网络联盟( i a o n a ) 协同o d v a 和分散自动化集团i d a 共同开展工作，并对推进基于e t h e r n e t r c p i p 工业以太网的通信技术达成共识， 由i a o n a 负责定义工业以太网公共的功能和互操作性。从此，工业以太网已成为 业界网络通讯的标准，并且，借助于工业以太网协议的开放与统一性，大量的仪 表可方便地接入互联网，基于工业以太网的仪表网络化仪表走上了正轨。 随着现场仪表智能化水平的逐渐提高，越来越多的信息需要在现场级总线上 进行传递，这对控制网络的带宽提出了更高的要求。传统现场总线现有的几兆的 传输速度，不足以达到这种要求。信息技术急速向工业自动化领域全面渗透，工 业以太网异军突起，在这种形势下，高速以太网逐渐进入控制领域，并迅速向工 业控制的各级扩散，工业网络之争由通信协议的低层转向高层。 1 2 仪表网络化及远程监控技术发展 1 2 1 通讯功能已成为智能仪表的首要标志 仪表是一种检测各种信号量的仪器，其目的就是为人类获得信息。 随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪表的认识已超越了一般 工具的范畴，进而发生着明显的观念更新。作为工业自动化技术工具的工业仪表 与装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。 上海大学硕士学位论文 现在，智能仪表的功能已不再局限于信息的获取，测量信息数字化、数字化 信息的通信及管理控制集成化己成为智能仪表不可或缺的首要标志。而这些技术 归根结蒂就是实现仪表的通讯功能。 特别是当今时代，以i n t e r n e t 为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术 的日益完善，突破了传统通讯方式的时空限制和地域障碍，更大范围内使通讯变 得十分容易，i n t e r n e t 拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域得到应用， 并在逐步应用子智能仪表领域，使仪表插上了i n t e r n e t 的翅膀，智能仪表的通 信从此具有了更广泛的含义。 1 2 2 嵌入式系统正在推动仪表技术网络化 1 、嵌入式系统应用于网络化智能现场仪表 所谓的嵌入式系统即以应用为目的、以计算机技术为基础、软件硬件可剪裁、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统一般是由以应用为中心的嵌入式微控制器( m c s ) 芯片和在此基础上 开发的应用软件构成的。 从某种意义上来说，现场仪表的智能化水平对控制网络的体系结构有很大影 响。同时，仪表智能化水平的高低，又与嵌入式技术以及集成电路技术息息相关。 以往嵌入在现场仪表中的微处理器芯片，由于存储空间小、运算速度低，不足以 处理以太网_ 平e t c p i p 复杂的通信协议，这大大影响了现场仪表的智能化程度和网 络性能。 随着微电子、集成电路和嵌入式技术的快速发展，3 2 位或更高速度的微处理 器芯片已经问世。这些高速微处理器提供了更大的存储空间和更高的运算速度， 可以很好地处$ 里t c p i p 等复杂协议。与此同时，大多数嵌入式r t 0 s ( 实时操作系 统) 制造商也已经扩展了他们的嵌入式操作系统，如：w i n d o w s c e 目前也正在被考 虑作为设备和控制器的嵌入式实时操作系统，由于t c p i p 是w i n d o w sc e 的一部 分，到那时将无需在现场设备中开发在互联网上通讯的t c p i p 协议。 所有以上这些，都使现场设备中集成网络服务器的功能成为可能。运用嵌入 式i n t e r n e t 技术，将以太网接口、t c p i p 协议等直接内嵌在现场设备中，使以太 网通讯直接到达现场设备级，从而产生了基于t c p i p 协议的网络化智能现场仪 上海大学硕士学位论文 表( 有人将其称为“i p 传感器执行器”) 。 2 、嵌入式i n t e r n e t 技术及其智能仪表远程监控的应用 目前，嵌入式i n t e r n e t 技术已经成为嵌入式系统的一个研究热点，通过嵌入 式技术赋予智能仪表更多的“思考”、“感觉”和“交流”能力。这些技术的进 步，都将变革传统控制网络的体系结构。随着集成电路、工业以太网和嵌入式 i n t e r n e t 技术研究的进一步深入，基于因特网的工业控制网络时代将会很快到 来，并成为晟具开放性的工业控制网络体系结构。这种新型的网络体系，与现场 总线在以太网方面的发展相呼应，对智能仪表远程监控是一个变革。 嵌入式i n t e r n e 技术已利用现有以太网( 因特网) 的丰富资源，组建以太 网分布式测控系统，是一种低成本、高可靠性、快捷的技术方案。组建以太网分 布式测控系统的关键设备是以太网测控网关，而基于仪表远程监控的以太网测控 网关的组成方式也在随着时代的进步不断地进步中，以下就是基于仪表远程监控 的以太网测控网关的演化过程。 在2 0 世纪9 0 年代中期，人们采用p c 机+ 网卡+ 采集插卡组成以太网测控网 关，进行协议转换，将由现场总线连接的智能仪表组成的分布式测控系统接入以 太网，将管理p c 机放在以太网内。组成一个较大的自控系统。这种组成方式成 本很高，只适用于大的自控系统。 近几年，人们采用嵌入式系统+ 以太网卡+ 采集卡来组成以太网测控网关。嵌 入式系统实际上是在硬件和软件上均可按用户需要进行剪裁的p c 机。实际上它 是第一种网关的简化和微型化。它的成本比第一种有所下降，但价格还是较高。 另外，利用了p c 机的软件，开发速度较快。 去年以来，人们利用单片机加上以太网接口芯片组成以太网测控网关。这是 嵌入式网关向大众化、普及化的进一步发展。它以单片机取代p c 机，用以太网 接口芯片取代以太网卡，使测控网关的价格下降到几百元。而单片机加上以太网 接口芯片组成以太网测控网关技术的逐步成熟，也正好适合应用于我们基于互联 网的智能仪表远程监控技术中。利用基于单片机的测控网关，使仪表能够以低廉 的费用，以简捷的方式接入以太网，最终接人互联网。 7 上海大学硕士学位论文 1 3 本文的研究背景及主要研究内容 1 3 1 研究背景 目前，信息技术的发展要求信息获取的快速性和全球网络化，这就对仪表的 远程监控技术提出了更高的需求。而网络技术特别是i n t e r n e t 技术的大力发展， 不可避免地促使智能仪表的远程监控技术建立在以太网甚至互联网的基础之上， 并且使仪表网络化顺应时代的需求。而这也是我们基于互联网的智能仪表远程监 控技术研究的初衷。 智能仪表远程监控技术的实现，除了现场智能仪表本身的智能化以外，远程 监控的关键在于数据在互联网上传输实现及传输的可靠性。本课题的研究正是基 于这样的现实情况，对此问题进行研究和探讨，并以流量仪表远程监控作为技术 依托，将其运用于给排水站点远程监控的实际系统中。 1 3 2 主要研究内容 本课题的主要内容就是对基于互联网的智能仪表远程监控技术进行可行性 方案设计，并最终实现了智能仪表连入互联网的关键技术一一接口服务器的软硬 件设计，重点对网络协议进行探讨，并进而实现它，以通过互联网实现数据的可 靠传输。在协议的实现上，整个t c p i p 协议体系有很多协议构成，分别完成不 同的功能，我们只选择用于网络数据传输的一些必要的协议，其他协议并不涉及。 本文第二章将对仪表远程监控各解决方案进行探讨和分析，最终制订出符合 我们本系统应用的方案及总体系统设计。 第三章介绍具体的接口服务器的硬件设计，包括接口服务器硬件总体设计， 以太网控制芯片选型及系统抗干扰技术分析。 第四章是本文的重点，即讨论系统接口服务器的软件设计。从系统的总体软 件需求入手，逐步分析了网络各层软件的功能及具体实现。并且，在此基础上， 提出了智能仪表以太网服务器的软件设计框架，以此作为其他用户开发基于互联 网的智能仪表远程监控系统的借鉴。 第五章提出了智能仪表的网络化监控系统实现方案。从智能仪表远程监控实 8 上海大学硕士学位论文 现的功能分析入手，完成了上位机对远程流量仪表进行监控的实现。 第六章是对本课题的一些工作总结及研究工作展望。 作为基于互联网智能仪表远程监控技术的一个应用，我们以流量仪表作为应 用对象，将其应用于全市各工厂的给排水远程监控系统中。 当今时代，城市给排水的站点由于遍布城市各个地区，给排水抄表及实时监 控比较困难，而这又是目前给排水工程急需解决的一个技术难题。 我们设计的此系统，可应用于给排水工程的流量仪表远程监控系统中，通过 网络的方式，对各监控排污出水口的流量计进行远程监控，并辅以上位机的管理， 将复杂的抄表计费工作变得十分轻松，方便及智能化，给全市给 水管理部门的 污水管理带来了全新的概念。 上海大学硕士学位论文 第二章仪表远程监控方案分析 要实现仪表的远程监控，就是耍对仪表进行网络化。下面，我们具体探讨一 下仪表远程监控及网络化的各实现方案。 2 1 基于网络的仪表网络定义 基于网络的仪表网络就是利用网络技术将分散在不同地理位置、不同功能的 仪表联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络内得以共享。 随着计算机网络技术的快速发展，测控系统的设计思想也受到了计算机网络 技术的影响。测控网络正由原来的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、 可互操作性、分散性、网络化、智能化的测控系统。网络的节点上不仅有计算机、 工作站，还有智能测控仪表。测控网络有与信息网络相似的体系结构和通信模型。 现阶段，随着网络技术的发展，网络呈现出百花齐放，百家争鸣的现象，其 范围也不断扩大，不再是原来局域网的概念，而是一个全球一体化的广域网。在 此，我们讨论不同网络构架对实现仪表网络化的各种方案及我们所采取的方案。 2 2 已有的仪表远程监控方案 在电力、热能、供水、煤气、环境监测等分散目标的监控系统中，监测装置 分布范围较广、且数量较多，因此怎样高效、经济地解决现场仪表的网络通信是 目前面临的问题。 以流量仪表为例：为管理目前全市的各给排水站点，在各排放点都需装有流 量监测仪表。而目前管理站往往需要对这些遍布在全市范围内的流量仪表进行统 一的流量监控，流量仪表的网络化势在必行，如何很好的解决管理总站对分散各 地的各流量仪表的远程数据访问成为一大问题。 随着通信技术的迅速发展，远程智能仪表监控技术也得到了长足的发展和完 善。目前大致有以下几种方案用于远程设备监控： 1 ) 利用公用电话网通过m o d e i , t 调制解调实现远程数字通信 2 ) 利用电力线载波实现远程数字通信 1 0 上海大学硕士学位论文 3 ) 利用现场总线+ 网关实现远程数字通信 下面，我们逐步来介绍各方案应用于仪表远程监控的利弊。 2 2 1 方案一利用公用电话网通过m o d e m 调制解调实现远程数宇 通信 2 2 1 1 电话网m o d e m 调制解调通讯简介 近年出现了利用电话线进行远程监测和控制的系统。这种系统是计算机技 术、控制技术和通信技术的综合，利用分布广泛的电话线组成通讯网络，通过 m o d e m 将数据信息进行模数及数模转换，以实现远程传输。 2 2 1 。2 电话远程监控系统构成 远程监控系统由三层组成，上层是监控机，中间层是由m o d e m 以及电话线路组 成的通信链路层，下层是智能仪表。结构框图如图所示。 图2 一l 电话远程监控系统 通讯方式简介：监控机采用p c ，其通过r s 一2 3 2 与m o d e m 相连，然后通过m o d e m 链接到电话线上进行数据通信。它的主要功能是：链路的建立，数据的接收、校验、 处理与打包发送，参数和状态的查询，参数的远程修改，报表与图表的输出，数据 库的更新与维护等。 下位机可以是自己设计的智能仪表，同样通过r s - - 2 3 2 与m o d e m 遇讯，再由 m o d e m 将智能仪表的一些相关信息发送到电话网，其主要功能是对现场仪表进行 监测和控制，数据采集和对采集到的数据进行打包发送，对接收到的数据进行校 验和拆包。同时能够主动拨号建立通信链路，并能主动上传数据给监控机。 上海大学硕士学位论文 2 2 1 3 电话远程监控系统不利因素 以上我们介绍了基于电话线的远程监控，其不利因素如下： 需要铺设专门的电话线 每次通讯需要通过电话局，需要一定费用，不适宜频繁通讯的场合 只能应用于实时性要求不高、传输数据量不大的场合 2 2 2 方案二：利用电力线载波实现远程数字通信 2 2 2 1 电力线载波数字化技术 电力线载波通信，是指利用电力线路作为通信信道，将信号调制到高频载波 上进行传输的一种通信方式。 可以说电力线是电力系统特有的信道资源，利用电力线路组建通信网络，不 需另外架设线路。而且覆盖面广，高度安全和可靠。目前已有一些智能小区的抄 表系统就是将电力线作为局域网实现了电表的远程抄表。 2 2 2 2 电力线载波数字通信终端解决方案 仪表的信号通过电力线m o d e m 将数字信号转化为模拟信号，通过电力线耦 合，将该模拟信号传送到电力线上，反之亦然。见下图 电 力 线 控计算机 图2 2 电力线仪表远程监控系统 要采用电力线对远程仪表进行监控，关键就是如何将仪表的信号转化成能在 电力线上识别的信号，即图中的电力线m o d e m ，其主要完成电力线局域网络各种 上海大学硕士学位论文 不同通信协议之间的转换和信息共享及同外部通信网络之间的数据交换。 2 2 2 3 电力线载波的不利因素 由于电力线本身不是为通信设计的，因此其特性在很多方面难以直接满足载 波通信的要求。从通信角度来说电力线对数据传输还有一系列技术上的难点，其 主要特点如下： 1 、电力线传输信号的衰减：如：配电变压器对电力载波信号的阻隔，电力负 载对载波信号衰减等等。 2 、信号干扰大：电力线本身固有的脉冲干扰及电力设备产生的噪声干扰等。 3 、用电设备负载多样化：电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性 的、容性的，有大功率的、小功率的。 所有以上的这些干扰及信号的衰减使得电力线作为数据信号的传输介质对软 硬件提出了较高的要求，通讯不能很远，无法实现真正的“远程”。 2 2 3 方案三：利用现场总线+ 网关实现远程监控乜“4 鄙 2 2 3 1 现场总线出现背景 7 0 年代中期，工业控制从早期的集中控制发展成为集散控制系统( d c s ) ， 如图2 3 所示。虽然d c s 技术已经发展到相当成熟的地步，但它仍存在着许多 缺点，其一就是以模拟信号连接为主的结构特点。 现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能 更强大。所谓现场总线，按照国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，是指安装在制 造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的 数字式、串行和多点通讯的数据总线。它以具备数字计算与数字通信能力的现场 设备作为网络节点，以总线作为节点间实现数字通信的联系纽带，构成开放式、 数字化的控制网络，因而又被誉为自动化领域的通信与网络技术。这一改进带来 了过程控制系统的开放性，使系统成为具有测量，控制，执行和过程诊断等综合 能力的控制网络。 上海大学硕士学位论文 图2 - 3d c s 控制系统与f c s 控制系统的比较 2 2 3 2 现场总线远程监控解决方案 现场总线是专门为局域网设计而出现的，所以其还不能真正意义上可称为远 程监控。要实现远程监控，比较可行的一种解决方案是：使用现场总线组成内部 局域网，然后经由网关将整个局域网联入互联网。基本框架如下图 现场总线 图2 4 现场总线远程监控系统 由图可见，网关在这里起到至关重要的作用，其将现场总线内部的数据帧转 化为能在互联网上传输的复合t c p i p 协议的数据帧，从而赋予了现场总线“远 程”的称号。 2 2 3 3 现场总线远程监控不利因素 目前世界上有4 0 多种现场总线。经过1 4 年的纷争，最终i e c 的现场总线标 准化组织经过投标，通过由8 种现场总线成为i e c 6 1 1 5 8 标准。即：f f 的 h 1 c o n t r o ln e t ，p r o f i b u s ，i n t e r b u s ，p - n e t ，w o r i d f i p ，s w i f t n e t ，h e s a 这 8 种现场总线采用的通信协议完全不同，因此要实现这些总线的兼容和互操作是 十分困难的。现场总线的种类繁多使其在连入互联网时碰到了协议转换的问题a 针对不同的现场总线，都要设计专门的现场总线协议到t c p f l i p 协议的转换，实 现起来不通用，比较麻烦。 2 2 3 4 现场总线远程监控发展方向探讨 经1 4 年争论也无法达成统一，多标准的实质就是无标准。多种现场总线并 存已成定局，难以沿开放的方向发展。市场迫切需要统一标准的现场总线控制系 1 4 上海大学硕士学位论文 统，只有通过制定新标准才能实现，为了加快新一代系统的发展，人们开始寻求 新的出路。几种可能的出路是： 各种现场总线统一到卜2 种。i e c 6 1 1 5 8 标准本身的产生就说明这 种可能性太小。 开发所有现场总线通用的接口。成本较高且难度较大。 各国不理睬1 e c 6 11 5 8 ，采用自主知识产权的协议。这不符合经济全球化发展 趋势。 采用已经是通用的国际标准的e t h e r n e t ，t c p t p 等协议，并使其在工业领域 成熟应用，易于被广大国家用户，集成商，o e m 和制造商接受和欢迎。 显然第四种出路是最为可行的。以太网正是在这种情况进入工业控制领域 的。以太网和t c p i p 协议进入工业领域主要基于以下一些优点：成本低，速度 的提高，因广泛应用而形成的软件资源，硬件资源及广泛支持。 2 3 利用以太网接入互联网实现远程监控 2 3 1 以太网及其作为工控网的可行性口。5 j 3 以太网是i e e e 8 0 2 3 所支持的局域网标准，最早由x e r o x 公司开发，后经数 字仪表公司、i n t e l 公司和x e r o x 公司联合扩展，成为以太网标准。按照国际标 准化组织开放系统互连参考模型的7 层结构，以太网标准只定义了链路层和物 理层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。a p a r n e t 在制定了 t c p i p 高层通信协议并把以太网作为其数据链路和物理层的协议之后，以太网 便和t c p i p 紧密地捆绑在一起了。以后，由于国际互连网采用了以太网和 t c p i p 协议，俗称为以太网技术。 过去人们认为，以太网是为了i t 领域应用而开发的，在工业自动化领域只 能得到有限应用，这是因为： ( 1 ) 以太网采用c s m a ，c d 碰撞检测方式，在网络负荷较重时( 超过4 0 ) ， 网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求，导致系统控制性能下降。 ( 2 ) 以太网所用的接插件，集线器，交换机等是是为了办公室应用而设计的， 不符合工业现场恶劣环境的要求。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 在工厂环境中，以太网抗干扰性能较差。若用于危险场合，以太网不具 备本质安全性能。 ( 4 ) 以太网还不具各通过信号线向现场设备供电的性能。 上述问题正在得到迅速解决。由于快速以太网与交换式以太网技术的发展， 给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。 1 ) 通讯的确定性： 以太网的通信速率一再提高，从十兆b s 到百兆b s ，目前千兆b s 以太网 已在局域网、城域网中普遍应用，万兆b s 以太网也正在加紧研制。相同通信量 的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着 提高确定性。全双工交换式以太网的诞生使以太网有条件成为确定性网络。以太 网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽。连接在同一个 交换机上面的不同设备不存在资源争夺，这就相当于每个设备独占一个网段， 使不同设备之间产生冲突的可能性大大降低。而且，全双工通信使得端口间2 对双绞线( 或2 根光纤) 上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。 2 ) 通讯稳定性和可靠性 上文已阐述e t h e r n e t 进入工业控制领域的主要问题是：它所用的接插件， 集线器，交换机和电缆等是是为办公室而设计的，抗干扰性能较差，不符合工业 现场恶劣环境的要求，也不具备本安特性和向现场仪表供电的性能。 随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。以太网电缆从难于应用 的昂贵的1 0 b a s e 一5 发展到细缆1 0 b a s e 一2 和现在常用的双绞线1 0 b a s e t 以及光 纤。抗干扰能力强的双绞线和光纤的应用提高了以太网运行于工厂环境的能力。 同时各大厂商都看到了工业以太网的良好发展势头，于是致力于为以太网接口提 供可靠的产品，现在这方面的问题已逐渐得到解决。 与其他控制网络相比，以太网的优势主要体现在以下几方面： ( 1 ) 以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络和控制网络 得以统一。 ( 2 ) 低成本。以太网与计算机、服务器等接口十分方便。以太网网卡的价格 为f f 现场总线网卡的十分之一。另外，用户的拥有成本下降，几乎每个 企业都有以太网网络维护人员，不用再专门学习一种控制网络。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 以太网易与i n t e r n e t 集成。 ( 4 ) 以太网受到了广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应 用开发。硬件开发商为以太网系统的设计提供了广泛的硬件产品选择， 人们对以太网的设计、应用有较为丰富的经验。 在与传统现场总线的对比测试中以太网显示出的明显优势，使其能够完全胜 任控制环境中对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求，以太网已被证明是未来 控制网络的最佳解决方案。 2 3 。2 以太网在远程设备监控等方面的应用现状及前景b “”川 目前，e t h e r n e t t c p z i p 应用于远程设备监控方面的研究正逐步走向成熟， 有几种可行的方案并且已有一些产品得到应用。这些应用方案中，主要的实现手 段是：利用m c u 实现嵌入式i n t e r n e t 方案，其技术难点在于：如何利用删自 身有限的资源对信息进行t c p i p 协议处理，使之变成可以在i n t e r n e t 上传输的 i p 数据包。从解决这一问题出发，目前主要有以下几种解决方案： ( 1 ) 3 2 位m c u + r t o s 采用3 2 位高档单片机，在r t o s ( 实时多任务操作系统) 平台上进行软件开 发，在嵌入式系统中实现t c p i p 协议处理。由于采用高档单片机，此方案可以 完成很多复杂的功能，但成本较高、开发周期较长、需要购买昂贵的r t o s 开发 软件。 ( 2 ) 8 位m c u + t c p i p 协议芯片 此方案是由m c 及固化了t c p i p 协议的芯片组成应用系统的核心。应用系 统可以直接上网，硬件电路较为简单，但需要大容量的外部存储器。此方案的优 点是可咀将8 位单片机直接与i n t e r n ee 相连。可以通过p c 机远程访问单片机系 统，也可以通过单片机系统将信息通过i n t e r n e t 发送到远程p c 或其他终端上。 ( 3 ) m c u + e m i t 协议+ e m g a t e w a y 利用e m w a r e 公司开发的e m i t ( e m b e d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ， 嵌入式微i n t e r n e t 网络技术) ，在应用系统的m c u 内部使用e m n e t 协议，再通过 e m g a t e w a y 网关与i n t e r n e t 连接。由于复杂的网络协议是通过e m g a t e w a y 网关 在p c 机上实现的，应用系统m c u 只使用较简单的e m n e t 协议，因此对m c u 的要 1 7 上坶大学硕士学位论文 求较低，但是应用系统设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口，原来客户 应用系统的设计也不一定符合要求，并且软硬件设计的工作量仍然较大。同时， 应用系统m c u 处理e m n e t 协议要占用一定的系统资源。尤其是应用与环境恶劣的 工业现场时，p c 机不能适应。 ( 4 ) m c u + w e b c h i p + p c 网关 所谓w e b c h i p 是独立于各种微控制器的专用网络接口芯片。它通过标准的输 入、输出口与各种m c u 相连。m c u 通过w e b c h i p 与网关相连即可接收并执行经由 i n t e r n e t 远程送来的命令或将数据交给w o b c h i p 发送出去。 w e b c h i p 的主要优点是：对m c u 应用系统的设计者来说，无需熟悉复杂的网 络协议及其接口；对m c u 芯片来说，对运行速度和存储器容量等方面没有特殊要 求；软件设计只需要做- 1 1 , 段接口程序，其他无需做大的改动，在很大程度上减 少了应用设计的工作量，可以缩短m c u 应用系统的设计周期。它的问题是，p c 机的网关仍然不适用于工业现场。但是可以应用在其饨场合，如智能小区。 这几种方案各有各的优缺点，分别适用于不同的场合和要求，在实际应用中 可根据情况进行选择。 2 3 3 智能仪表远程监控系统解决方案 考虑智能仪表远程监控网络实现的方便及成本，我们设计了适当的系统解决 方案：利用接口服务器实现仪表的互联网远程监控。系统的设计可分为局域网与 广域网两块。 1 、局域网 仪表通过接口服务器接入以太网，如下图： 图2 5 基于以太网的仪表网络 l g 以太网 上海大学颐士学位论文 这种方案通过接口服务器将没有网络通信功能的仪表接入局域网，从而使传 统仪表成为网络中独立节点，这样将传统仪表设备网络化的新技术是近几年网络 技术的新发展。这种方案的优点在于： 1 实现方便，接口服务器的一端与仪表的输出相连，另一端与网络相连， 网络上的计算机安装相应的程序后就可以像访问自身的端v i 一样方便地访问每 个仪表 2 ) 成本较低，传统仪表只要连上一个比计算机便宜的多的网络接口服务器 3 ) 可扩展性好，可随时将新的仪表通过接口服务器接入网络。缺点在于： 接口服务器的种类还太少，目前只有些使用r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 串行口的仪表可通 过相应的串口服务器接入网络，还没有能将具有u s b ，e p p 并行口等接口的仪表 接入网络的接口服务器。 2 、广域网 任意的网络用户 图2 6 远程设备监控的基本框架 图2 6 是远程设备监控的基本框架，由图，我们可以看到网络远程监控的 基本流程： 1 任意用户通过英特网访问远程网络监控网站( 监控管理平台) 2 监控管理平台通过英特网访问用户需要访问的远程设备网 3 通过网关访问到具体某台设备 4 被访问设备返回访问信息到网络监控管理平台 5 网络监控管理平台将所需远程设备信息反馈给用户 由于通过网络远程监控管理平台，通讯中的具体操作细节对用户完全屏蔽， 上海大学硕士学位论文 用户只需通过网站管理平台进行简单的操作，就可方便的控制或查询远程设备的 信息。 在此框架中我们必须首先讨论t c p ，i p 协议，在此基础上实现基于互联网的 通信，然后才能进一步讨论远程设各监控的实现。显而易见，通信是远程设备监 控的基础，而通信实现的关键是接口服务器的实现。 2 3 4 基于以太网的智能仪表远程监控系统 我们最终决定利用以太网接入互联网的方式来进行对远程现场智能仪表进 行监控。请看下图示： 程监控 算机 图2 7 基于互联网的智能仪表远程监控系统 1 ) 信号的采集与处理： 信号的采集工作由现场智能仪表完成，并将采集的信号数据发送到互联网 信号的处理可由现场智能仪表也可由远端监控计算机来完成，一般来说， 为了减少网络通讯负担，现场仪表对所采集的原始数据稍加处理，然后将有用的 数据传输到互联网为好。 2 ) 系统网络结构： 基于以太网的智能仪表远程监控系统是完全基于网络的概念，是一种真正 的客户一服务器模式，完全可运行于t c p i p 网络协议上。 通过研制专用的串口转以太网的接口服务器，利用服务器内部的t c p i p 协 议及1 0 b a s e 一2 网络接口，可方便地将智能仪表连接到e t h e r n e t 或i n t e r n e t 。 p c 机通过t c p i p 网络协议可以和多个远程流量仪表进行通信并且不受地域的限 制，真正实现了仪表上网。 其结构如图 上海大学硕士学位论文 基于以太网的智能仪表 1 接口服务器l i 智能仪表l 图2 8 基于互联网的智能仪表系统网络拓补结构 以上的仪表远程监控方案优点如下： a 无需专线：利用广泛存在的以太网资源，无需铺设现场总线，没有距离和 国界的限制，只要有以太网就可通讯，通讯以太网具有通用性强，技术成熟， 带宽迅速增加特性。 b 采用数据交换技术，以提供数据缓冲，提高数据网段的智能，降低数据冲 撞和重发概率。 c 采用t c p 1 p 协议。确保数据安全可靠到达接受方，在网络链路层中所有 硬件对t c p i p 的应用是透